Форматы цифрового изображения

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное  учреждение высшего  профессионального  образования

«Санкт-Петербургский  Государственный  Политехнический  Университет»

Механико-машиностроительный факультет 
 

Специальность 150407

Форма обучения: дневная 

Кафедра

Полиграфические машины 

РЕФЕРАТ

по дисциплине

«Оборудование и технология допечатных процессов» 
 

Тема работы : форматы цифрового изображения 
 

Студент                                                                                          Васильева Е.Н.                             

                (подпись)                                                                             (Ф.И.О.) 

гр. 30410/1 

Руководитель 

Зам. зав. кафедры  ПМ, профессор                                                 Ваганов В.В.

(должность, ученое звание, степень)  (подпись)                                              (Ф.И.О.) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2011 

Содержание

1. Введение………………………………………………………………………….3
2. История обработки изображений……………………………………………….3
3. Основные свойства цифровых изображений…………………………………..3
4. Яркость изображения и битовая разрядность (bit depth)……………………...5
5. Форматы файлов цифровых изображений…………………………………….10

5.1 Краткие характеристики форматов файлов…………………………....11

6. Список литературы……………………………………………………………..20

1. Введение

     Актуальность  изучения темы «Форматы цифрового изображения» состоит в том, что цифровое изображение  получает наибольшую популярность в современном технологичном компьютереризированном мире, а также является неотъемлемой частью допечатной подготовки. Многообразие форматов заставляет задуматься над несколькими вопросами: какой формат выбрать для хранения информации, какой для представления и как наиболее рационально использовать имеющиеся информационные ресурсы без потери качества изображения. Для этого необходимо изучить основные свойства цифровых изображений, а также определить что такое яркость изображения, а также его битовая разрядность. Далее следует определить характеристики наиболее распространенных форматов файлов изображений, что и было проделано в данной работе.

2. История обработки изображений

     Все природные явления мы видим как  непрерывные, или, иначе говоря, аналоговые. Несмотря на то что человеческий глаз по сути есть матрица светочувствительных  элементов - палочек и колбочек, воспринимаемое мозгом изображение не представляется нам состоящим из отдельных элементов. Самыми первыми предпосылками к  появлению изображений в цифровом формате ещё до изобретения компьютеров  стали типографские оттиски. Ещё в середине XX века обработка изображений была по большей части аналоговой и выполнялась оптическими устройствами. Подобные оптические методы до сих пор важны, в таких областях как, например, голография. Тем не менее, с резким ростом производительности компьютеров, эти методы всё в большей мере вытеснялись методами цифровой обработки изображений. Методы цифровой обработки изображений обычно являются более точными, надёжными, гибкими и простыми в реализации, нежели аналоговые методы. В цифровой обработке изображений широко применяется специализированное оборудование, такое как процессоры с конвейерной обработкой инструкций и многопроцессорные системы. В особенной мере это касается систем обработки видео. Обработка изображений выполняется также с помощью программных средств компьютерной математики, например, MATLAB, Mathcad, Maple, Mathematica и др. Для этого в них используются как базовые средства, так и пакеты расширения Image Processing.

3. Основные свойства цифровых изображений

     Натуральное изображение, снятое при помощи камеры, телескопа, микроскопа или другого  оптического устройства, отображает постоянно изменяемый массив оттенков и цветовых тонов. Фотографии, сделанные  на фотопленке, или видеоизображения произведенные видиконом, являются набором всех возможных изображений. Они содержат широкий спектр интенсивности  (от темного до светлого) а также спектр цветов, которые могут включать всевозможные оттенки и уровни насыщенности. Изображения такого типа принято называть полноцветными, потому что различные тональные оттенки и цвета смешиваются вместе без потерь и составляют достоверную репродукцию с исходной сцены. На рис.1 наглядно изображено создание цифрового изображения. 
 

     Рис.1 Создание цифрового изображения

     (a) Аналоговое изображение

     (b) Цифровая дискретизация

     (c) Квантование пикселей

     Полноцветные  изображения получаются при помощи аналоговых оптических и электронных  приборов, которые безошибочно записывают данные картинки. Существуют несколько  способов записи, таких как последовательность изменяющихся электрических сигналов или изменения в химическом составе  фоточувствительного слоя на фотопленке непрерывно по всему размеру изображения. Для того, чтобы полноцветное или  аналоговое изображение можно было обрабатывать или отобразить на компьютере, оно сначала должно быть преобразовано  в цифровой формат. Этот процесс  применяется к любым изображениям, независимо от источника и сложности, и от того, являются они черно-белыми (grayscale) или цветными. Из-за того, что  черно-белые изображения в некотором  роде проще для объяснения, они  будут браться за основу для последующего описания.

     Для преобразования аналогового изображения  в цифровой формат, его делят на участки с индивидуальными уровнями яркости. Это происходит в два  этапа, которые называются цифровая дискретизация и квантование, как  показано на рисунке 1. На первой картинке (рис.1,а) показано аналоговое изображение  миниатюрной молодой морской  звезды. На второй (рис.1,b) – результат  после дискретизации в двумерный массив. Далее (рис.1,c) мы видим, как уровни яркости в конкретных участках аналогового изображения записываются и преобразуются в целые числа. Этот процесс называется квантование. Целью является преобразование изображения во множество дискретных точек, которые содержат информацию о яркости или цветовых тонах, и могут быть описаны в виде цифровых данных в точном местоположении. В процессе дискретизации последовательно измеряется интенсивность участков изображения и формируется двумерный массив, содержащий маленькие прямоугольные блоки с информацией об интенсивности. После того, как процесс дискретизации закончен, преобразованные данные проходят квантование для определения цифровых значений яркости (от черного, через все оттенки серого, до белого) на каждом участке. В результате получается числовое представление интенсивности (которое часто называют элемент изображения или пиксель) для каждого участка изображения в матрице.

     Так как изображения в основном квадратных или прямоугольных размеров, то каждый пиксель, полученный после оцифровки, имеет определенные x и y координаты в декартовской системе координат. Координата x определяет горизонтальное положение или столбец, в котором  расположен пиксель, тогда как координата y определяет ряд или вертикальное положение. Принято, что пиксель  с координатами (0,0) находится в  левом верхнем углу матрицы, а  пиксель с координатами (158,350) будет  находиться на пересечении 158-го столбца  и 350-го ряда. Часто координату x называют номером пикселя, а координату y номером  ряда. Таким образом, цифровое изображение  является прямоугольной (или квадратной) матрицей из пикселей, которые отображают множество значений интенсивности  и структурированы в (x,y) системе  координат. В действительности изображение  существует только как большой ряд  цифр (или данных), которые воспринимаются компьютером и преобразуются  в цифровую картинку.

4. Яркость изображения и битовая разрядность (bit depth)

     Яркость (или световая яркость) цифрового  изображения – это величина уровней  интенсивности в пиксельной матрице  изображения, снятого цифровой камерой, или оцифрованного аналогово-цифровым преобразователем. Яркость нельзя путать с интенсивностью (более точный термин световая интенсивность), которая является величиной или количеством световой энергии, отраженной или переданной от объекта с помощью аналогового  или цифрового устройства. Яркость  – это величина уровней интенсивности  всех пикселей вместе, составляющих цифровое изображение, которое было снято, оцифровано и отображено на экране. Яркость  пикселей является очень важным элементом  цифровых изображений, так как это  единственная величина, которая используется техническими средствами обработки  изображений.

     После того, как объект был снят и разбит на части, каждый видимый элемент  представляется, как целое число (при условии, что изображение  было снято цифровой камерой) или  аналоговый уровень интенсивности  на пленке (или видео трубке). Независимо от метода съемки, изображение должно быть оцифровано, и непрерывная интенсивность, отображающая образец, преобразована  в числовые значения яркости. Точность цифровых значений на прямую зависит  от битовой разрядности устройства оцифровки. Если использовать только два  бита, то изображение будет представлено только четырьмя значениями яркости. Так  же, для трех и четырех бит, изображение  будет иметь соответственно 8 и 16 уровней яркости (см. рисунок 2). В любом случае, уровень 0 представляет черный цвет, тогда как верхние уровни (3, 7 или 15) относятся к белому, а каждый из средних – различные оттенки серого.

     Рис.2 Битовая разрядность в цифровых изображениях

     Черный, белый и серый уровни яркости  вместе составляют диапазон яркости  изображения. Чем больше уровней  серого цвета, тем больше битовая  разрядность и точность передачи сигнала в динамическом диапазоне (см. таблицу 1). К примеру, 12-битный цифровой преобразователь может отображать 4,096 оттенков серого и соответствует  динамическому диапазону в 72 дБ. В данном случае, динамический диапазон принято считать максимальным уровнем  сигнала с учетом шума, который  датчик CCD может передать изображению. Динамический диапазон также отражает вместимость сигнала и шумовые  характеристики датчика. Похожая терминология обычно используется, что бы описать  диапазон серых уровней, используемых для создания и отображения цифровых изображений, которые могут быть представлены гистограммой интенсивности. Цветные изображения состоят  из трех индивидуальных каналов (красный, зеленый и голубой), которые имеют  свои уровни яркости для каждого  цвета. Цвета комбинируются в  каждом пикселе, в результате чего получается готовое изображение.

     В компьютерной технологии, бит (bit –  сокращение от «binary digit») – это наименьшая единица измерения информации, работающий в двоичной системе исчисления (состоит  только из цифр 1 и 0). Байт состоит из последовательности 8 битов и может  хранить 256 целый значений (2*E8).  Аналогично, два байта (равны 16 битам или одному машинному слову) могут хранить 2*Е16 целых чисел в диапазоне от 0 до 65,535. Один килобайт (Kbyte или Кб) равен 1024 байтам, а в одном мегабайте (Mbyte или Мб) 1024 килобайт. В большинстве  электронных схем, бит относится  к состоянию транзистора или  конденсатора в ячейке памяти или  в магнитном домене на жестком  диске.

     Термин  битовая разрядность обозначает диапазон всех возможных уровней  яркости, используемых аналогово-цифровым преобразователем, что бы перевести  информацию в аналоговом изображении  к дискретному виду, в котором  компьютер смог бы ее считывать и  обрабатывать. К примеру, наиболее частые 8-битные цифровые преобразователи  имеют бинарный диапазон из 2*Е8 или 256 возможных значений (рисунок 2), тогда как 10-битный преобразователь имеет диапазон из 2*Е10 (1,1024) возможных значений, а 16-битный – 2*Е16 или 65,536. Битовая разрядность аналогово-цифрового преобразователя определяет размер шкалы яркости. При увеличении разрядности камера передает более широкий диапазон полезной информации.

     В таблице 1 изображена зависимость между  количеством бит, используемых для  хранения информации, количество уровней  яркости, и соответствующее значение динамического диапазона датчика (в децибелах; 1 бит приблизительно равен 6 дБ). Исходя из таблицы, при преобразовании 0.72 В видео сигнала в АЦП (аналогово-цифровой преобразователь) с точностью в 1 бит, сигнал будет передан с двумя  значениями, 0 или 1 с напряжением 0 и 0.72 В. Большинство преобразователей в потребительских цифровых камерах  и простейших научных устройствах  используют 8-битный АЦП, который имеет 256 дискретных уровня яркости (от 0 до 255).  Максимальный сигнал в 0.72 В будет  поделен на 256 частей, каждая из которых  имеет значение в 2.9 мВ. 
 
 
 
 
 

Таблица 1. Битовая разрядность, уровни яркости и динамический диапазон датчика

      Количество  уровней яркости, необходимое для  достаточного визуального качества, должно быть таким, что бы человеческий глаз не смог различить соседние уровни. Как правило, глаз начинает отличать уровни яркости при уменьшении их на два процента от оптимального количества. В большинстве случаев, глаз может  различать около 50 дискретных оттенков серого на мониторе, поэтому предполагается, что минимальная разрядность  изображения должна быть от 6 до 7 битов (64 и 128 уровней яркости, см. рисунок 2).

     Цифровое  изображение должно иметь разрядность  как минимум от 8-10 бит, что бы переходы между уровнями не были заметны при  добавлении контрастности во время  обработки. На рисунке 6 показан эффект изменения количества уровней яркости  на черно-белом изображении блохи, снятой при помощи оптического микроскопа. Образец изображен в различных  уровнях разрядности, от 6 бит (рисунок 3(а)), до 1 бита (рисунок 3(f)) с несколькими промежуточными значениями. С уменьшением разрядности (ниже 5 бит), изображение теряет значительное количество деталей, и многие участки образца подвергаются  явлению, которое называется оконтуривание или огрубление. Огрубление становится видным сначала на фоновых участках (см. рисунок 3(с)), где уровни яркости меняются незначительно. Это говорит о недостаточной битовой разрядности. При наименьших уровнях разрядности (1 бит и 2 бит, рисунок 3(е) и 3(f)) теряется значительная часть деталей изображения. Для абсолютного большинства типичных приложений, таких как отображение изображений на экране компьютера или через веб-браузер, 6 или 7 бит достаточно для удобного просмотра.

     В  конечном счете, количество пикселей и уровней яркости, необходимых для адекватного отображения картинки, зависит от физических свойств исходной сцены (или образца под микроскопом). Многие изображения с малой контрастностью и высоким разрешением требуют достаточно большого количества пикселей и уровней яркости, тогда как другие высококонтрастные с низким разрешением (линейная графика) изображения могут быть адекватно отображены с меньшим количеством пикселей и диапазоном уровней яркости.

     В компьютерной графике существует компромисс между контрастностью, разрешением, битовой разрядностью и скоростью  обработки изображений. Для обработки  «тяжелого» изображения необходима высокая мощность компьютера. Однако, сегодня любой современный компьютер  может быстро обрабатывать цифровые изображения наиболее распространенных размеров (от 640 x 480 до 1280 x 1024). Изображения  больших размеров, а также содержащие несколько слоев (такие как Photoshop Document - PSD), могут уменьшать производительность, но все же обрабатываются с приемлемой скоростью на большинстве персональных компьютеров. На рисунке 3 изображен внешний вид изображения в зависимости от битовой разрядности.

     Рис.3 Внешний вид изображения в  зависимости от битовой разрядности

     Усовершенствованные цифровые камеры с ПЗС и КМОП датчиками  изображений поддерживают 10-бит (или  даже 12-бит в самых продвинутых  моделях) разрядность, что позволяет  отображать картинку с более широким  графическим диапазоном, чем возможно в 8-битных изображениях. Это происходит из-за того, что соответствующее  программное обеспечение может  воспроизвести необходимые оттенки  серого из более широкой палитры (1,024 или 4,096 оттенков) для отображения  на мониторе компьютера, который обычно отображает только 256 оттенков серого. Для сравнения, 8-битное цифровое изображение, снятое обычной цифровой камерой, ограничено 256 уровнями яркости. При увеличении во время обработки изображения, программное обеспечение может  выбирать наиболее точные уровни, что  бы передать увеличенное изображение  без различий от оригинала. Это особенно важно при рассмотрении затемненных  участков в 10-битном разрешении, когда программа сможет отобразить едва заметные детали, которые не будут видны в 8-битном изображении.

     Точность  преобразования аналогового видео  сигнала в цифровой зависит от разницы между шагом уровней  яркости и среднеквадратического  шума на выходе камеры. ПЗС камеры со встроенным АЦП производят поток  данных, который не требует дискретизации  и оцифровки на компьютере. Такие  камеры способны производить цифровые данные с разрядностью до 16 бит (65,536 уровней яркости) в продвинутых  моделях. Основное преимущество такого большого графического диапазона в  передовых камерах состоит в  том, что уменьшается соотношение  сигнал-шум в отображенном на дисплее 8-битном изображении, а также в  более широком динамическом диапазоне, в котором сигналы могут оцифровываться.

5. Форматы файлов цифровых изображений

     После получения цифрового изображения, его необходимо сохранить в одном  из наиболее часто используемых форматов файлов. Давайте, прежде всего, подсчитаем какое количество памяти нам потребуется  хотя бы для запоминания снимка с  низким разрешением 640 х 480, содержащим, как нетрудно подсчитать 307 200 пикселей. Если при этом использовалась модель цветопередачи трехбайтового (24 бит) режима true color, то изображению потребуется  около 1 Мбайта памяти. Если же увеличить  разрешение до величины 1024 х 768, то размер изображения увеличится уже до 2,5 Мбайт. Таким образом, размер файла  изображения выступает своеобразным индикатором качества изображения (на рисунке 4 изображены наглядные примеры). Для того чтобы уменьшить размеры файлов изображений и, следовательно, сделать более удобным процесс работы с ними широко применяются различные методы сжатия информации, которые не только позволяют сохранять в памяти фотоаппарата большее количество снимков, но значительно ускоряют процесс их загрузки и отображения на LCD- экране фотокамеры. Большинство цифровых камер позволяет регулировать размер файла выбирая размер (формат) изображения (т.е. фотографий размером 640 х 480 разместится в памяти гораздо больше, чем снимков размером 1024 х 768).

1. Краткая характеристика распространенных форматов файлов изображений

• Формат JPG

     Самый распространенный файловый формат – JPG (JPEG). Эта аббревиатура расшифровывается как Join Photographic Experts Group (Объединенная группа экспертов-фотографов) – организация, которая создала этот формат.

      Файлы, содержащие данные JPEG, обычно имеют расширения .jpeg, .jfif, .jpg, .JPG, или .JPE. Однако из них .jpg самое популярное расширение на всех платформах. MIME-типом является image/jpeg.

      Алгоритм  JPEG в наибольшей степени пригоден для сжатия фотографий и картин, содержащих реалистичные сцены с плавными переходами яркости и цвета. Наибольшее распространение JPEG получил в цифровой фотографии и для хранения и передачи изображений с использованием сети Интернет.

     С другой стороны, JPEG малопригоден для сжатия чертежей, текстовой и знаковой графики, где резкий контраст между соседними пикселами приводит к появлению заметных артефактов. Такие изображения целесообразно сохранять в форматах без потерь, таких как TIFF, GIF, PNG или RAW.

     JPEG (как и другие методы искажающего сжатия) не подходит для сжатия изображений при многоступенчатой обработке, так как искажения в изображения будут вноситься каждый раз при сохранении промежуточных результатов обработки.

     JPEG не должен использоваться и в тех случаях, когда недопустимы даже минимальные потери, например, при сжатии астрономических или медицинских изображений. В таких случаях может быть рекомендован предусмотренный стандартом JPEG режим сжатия Lossless JPEG (который, к сожалению, не поддерживается большинством популярных кодеков) или стандарт сжатия JPEG-LS.

     У формата JPG (JPEG) есть неоспоримые достоинства:

• его распространенность. Каждый персональный компьютер, принтер и любое программное обеспечение, которое мы видели (или о котором слышали), может распознавать, читать, редактировать и выводить на печать изображения в формате JPG (JPEG);
• фотографирование и сохранение в формате JPG (JPEG) занимает меньше времени, что сокращает время от кадра до кадра (то есть задержку перед тем, как камера опять готова начать съемку) и увеличивает скорость режима серийной съемки;
• файлы JPG (JPEG) могут быть сжаты, чтобы занимать мало места в фотоаппарате или компьютере, и их размещение и просмотр в Internet или в почте даже в несжатом виде не займет много времени.

Отрицательные стороны сжатия в jpg:

• При сжатии в формате JPG (JPEG) происходит удаление некоторых данных, чтобы уменьшить фото и размер файла. Когда файл открывается, программное обеспечение восстанавливает эти данные согласно, скорее, логике машины, а не человеческой эстетике. JPG (JPEG) способен сжать файл до двух процентов исходного размера, и это может привести к драматическим последствиям. Однако за экономию и эффективность надо всегда платить: чем больше сжатие, тем меньше файл, но чем больше данных удалено, тем хуже качество изображения.
• Одна из проблем сжатия JPG (JPEG) – кумулятивный эффект. В процессе съемки удаляются некоторые данные, когда вы откроете изображение в программе для редактирования и сохраните его заново как JPG (JPEG), то удалятся еще данные. Откройте файл и сохраните снова – и вы потеряете еще немного целостности изображения.
• Изображения, сохраненные в формате JPEG, не могут иметь прозрачных областей.

• Формат GIF

     Цвет  каждого пикселя кодируется восьмью  битами, поэтому GIF-файл может содержать до 256 цветов. Цвета, которые используются в GIF-изображении, хранятся внутри самого файла в специальной таблице цветов, называемой индексированной палитрой.

     Файлы GIF могут также содержать различные оттенки серого цвета. Существуют две основные версии формата GIF: GIF87 и GIF89a - они названы так по году стандартизации. Обе версии поддерживают способ представления графического файла с чередованием строк. Более поздний вариант GIF89a допускает задание одного цвета в качестве прозрачного.

     Прозрачность  подразумевает, что один цвет изображения (обычно это цвет фона) может быть объявлен прозрачным. Это ведет к  тому, что вместо фона изображения  виден просвечивающий сквозь него фон  самой Web-страницы. Благодаря этому изображение на странице выглядит более естественным.

     Чередование строк означает, что во время приема изображения из Интернета его  детали прорисовываются постепенно. Эффект похож на то, что происходит, когда на нерезкую картинку постепенно наводят фокус. Благодаря чередованию  строк пользователи с медленными модемами могут обычно еще в самом  начале приема картинки оценить ее содержание и время, необходимое  на полную передачу, и тем самым  принять решение, стоит ли продолжать прием или можно от него отказаться.

     GIF-файлы можно также использовать для создания на экране несложной анимации.

     Основным  ограничением GIF-файлов является их неспособность хранить и демонстрировать неиндексированные изображения, подготовленные в режиме True Color (16,8 миллиона оттенков) или High Color (32-64 тысячи оттенков). Иными словами, GIF-изображения должны состоять из 256 или меньшего числа цветов.

     Сжатие  файлов в формате GIF является сжатием без потерь. Это означает, что упаковка изображения никоим образом не сказывается на его качестве. При этом сжатие оказывается наиболее эффективным в тех случаях, когда в составе изображения имеются большие области однородной окраски с четко очерченными границами. И наоборот, сжатие по алгоритму GIF крайне неэффективно при наличии областей с градиентной окраской или случайным распределением цветовых оттенков, что имеет место при использовании различных методов настройки растра или сглаживания краев области изображения.

• Формат PNG

     Формат  PNG спроектирован для замены устаревшего и более простого формата GIF, а также, в некоторой степени, для замены значительно более сложного формата TIFF. Формат PNG позиционируется прежде всего для использования в Интернете и редактирования графики.

     PNG поддерживает три основных типа растровых изображений:

• Полутоновое изображение (с глубиной цвета 16 бит)
• Цветное индексированное изображение (палитра 8 бит для цвета глубиной 24 бит)
• Полноцветное изображение (с глубиной цвета 48 бит)

   Формат  PNG хранит графическую информацию в сжатом виде. Причём это сжатие производится без потерь, в отличие, например, от JPEG с потерями.

   Он  имеет следующие основные преимущества перед GIF:

• практически неограниченное количество цветов в изображении (GIF использует в лучшем случае 8-битный цвет);
• опциональная поддержка альфа-канала;
• возможность гамма-коррекции;
• двумерная чересстрочная развёртка;
• возможность расширения формата пользовательскими блоками (на этом основан, в частности, APNG).

   Формат  GIF был разработан фирмой CompuServe в 1987 году и не доступен изначально для свободного использования. Некоторое время назад, до окончания в 2004 году действия патентов на алгоритм сжатия LZW, принадлежавших Unisys и используемых в GIF, его применение в свободном программном обеспечении было затруднено. На данный момент такие затруднения сняты. PNG же с самого начала использует открытый, не запатентованный алгоритм сжатия Deflate, бесплатные реализации которого доступны в Интернете. Этот же алгоритм используют многие программы компрессии данных, в том числе PKZIP и gzip (GNU zip).

   Формат  PNG обладает более высокой степенью сжатия для файлов с большим количеством цветов, чем GIF, но разница составляет около 5-25 %, что недостаточно для абсолютного преобладания формата, так как небольшие 2-16-цветные файлы формат GIF сжимает с не меньшей эффективностью.

   PNG является хорошим форматом для редактирования изображений, даже для хранения промежуточных стадий редактирования, так как восстановление и пересохранение изображения проходят без потерь в качестве. Также, в отличие, например, от TIFF, спецификация PNG не позволяет авторам реализаций выбирать, какие возможности они собираются реализовать. Поэтому любое сохранённое изображение PNG может быть прочитано в любом другом приложении, поддерживающем PNG.

• Формат TIFF

     Формат TIFF (Tagged Image File Format — формат файлов изображений, снабженных тегами) является одним  из наиболее широко распространенных форматов, используемых при подготовке графики. Этот формат является фактически стандартом для подготовки изображений  в полиграфии. Файлы этого формата  обычно имеют расширение TIF или TIFF.